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Kolbendampfmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbendampfmaschine
mit in der Wandung des Arbeitszylinders vorgesehenen Dampfein- und -auslaßöffnungen,
die durch den mit entsprechenden Durchlaßöffnungen oder Durchlaßkanälen versehenen
Arbeitskolben gesteuert werden, und besteht -darin, daß ein in an sich bekannter
Weise zur Vergrößerung des Füllungsraumes vorgesehener und mit dem Arbeitskolben
zusammenwirkender beweglicher Gegenkolben mit einer seinen Hub begrenzenden Einrichtung
(z. B. einem verstellbaren Anschlage. dgl.) verbunden ist, durch die der Hub des
Gegenkolbens gegenüber dem Arbeitskolben eingestellt werden kann, um lediglich durch
Änderung des Hubes des Gegen-. kolbens eine Änderung der Füllungsmenge bei gleichbleibender
Füllungsdauer zu erreichen. Es ist bekannt bei Kolbendampfmaschinen einen mit dem
Zylinderraum in Verbindung stehenden besonderen Raum zur Vergrößerung des Füllungsraumes
vorzusehen. Dabei hat dieser zusätzliche schädliche Raum den Zweck, bei mit verschiedenen
Gegendrücken arbeitenden Gleichstromdampfmaschinen eine unzulässig hohe Kompressionsendspannung
zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird bei Eintreten dieser Möglichkeit der zusätzliche
Raum mit dem Zylinderinnern in Verbindung gebracht, so daß eine weitere Erhöhung
des Druckes nicht mehr stattfinden kann. Hierbei erfolgt die Änderung des schädlichen
Raumes auch selbsttätig in Abhängigkeit von der Größe des Kompressionsenddruckes.
Ferner ist es bekannt, zur Vergrößerung des Füllungsraumes sogenannte Gegenkolben
zu verwenden, die mit dem Arbeitskolben zusammenwirken,
indem sie
diesem während der Expansion des Dampfes folgen und bei dessen Umkehr in ihre Anfangslage
zurüc@-
noch besondere außerhalb des Zylinders be findliche Regelorgane für die Änderung
der Füllung.
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Gegenüber diesen bekannten Dampfmaschinen besteht die Erfindung darin,
die Einrichtung zur Vergrößerung des Füllungsraumes so auszugestalten, daß mit ihr
bei gleichbleibender Öffnungsdauer eine Regelung der Füllungsmenge ermöglicht wird.
Zu diesem Zweck wird der Gegenkolben mit einer seinen Hub begrenzenden Einrichtung
verbunden, um den Hub des Gegenkolbens gegenüber dem Arbeitskolben einstellen
und dadurch die Änderung der Füllungsmenge durch Änderung des Hubes des Gegenkolbens
vornehemen zu können.
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-Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Mittel
zur Erzielung der Rückwärtsbewegung des Gegenkolbens Dampf verwendet, indem der
Raum hinter dem Gegenkolben mit einem außerhalb des Zylinders angeordneten Behälter
in Verbindung gebracht wird, der mit Dampf angefüllt ist, dessen Druck durch ein
Regelventil ö. dgl. einstellbar ist. 'Man könnte zur Erzielung der Umkehrbewegung
des Gegenkolbens auch Federn verwenden. Diese besitzen aber den Nachteil, daß eine
etwaige Änderung des Dampfdruckes vor der Maschine nicht berücksichtigt ist. Bei
Anwendung von Dampf wird aber beim Absinken des Dampfdruckes am Zylindereintritt
auch der Dampfdruck auf den Gegenkolben verringert, so daß ein Arbeiten der Steuerung
bei allen Dampfzuständen gewährleistet ist. Durch entsprechende Einstellung des
Dampfdruckes in dem zusätzlichen Dampfraum mittels des Regelventils läßt sich das
Dampfdiagramm der -Maschine günstig beeinflussen, weil der Dampfdruck in diesem
Raum den Zeitpunkt des Verschiebens des Gegenkolbens bestimmt.
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Die Zeichnung stellt verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
dar. Fig. i der Zeichnung zeigt in einem senkrechten -Mittelschnitt einen Dampfzylinder
1 mit der Steuerung gemäß der Erfindung.
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, g e l' Fig. 2 zeigt in entsprechender Darstellung eine zweite
Ausführungsform.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten.
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Fig. 5 zeigt ein Dampfdiagramm eines Zylinders gemäß der Erfindung.
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Die Fig. 6 stellt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform
dar.
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Bei dein Ausführungsbeispiel der Fig. i bezeichnet i den Dampfzylinder,
in welchem sich der Arbeitskolben 2 bewegt. In der Wandung des Dampfzylinders i
sind Einlaßschlitze oder -öffnungen 3 und Auslaßschlitze
Bewegung des Kolbens 2 abwechselnd mit den Schlitzen 3 für den Einlaß und den Schlitzen
-1 für den Auslaß in Verbindung gebracht werden. Die Einlaßschlitze 3 sind, wie
die Filz. i erkennen läßt, düsenförmig ausgebildet, während die Durchlaßkanäle diffusorartig
ausgestaltet sind. Diese Ausbildung ist als vorteilhaft zu empfehlen, um die Dampfeinströmung
unter geringem Spannungsabfall erfolgen zu lassen. 111 dein Zylinder i ist noch
ein zweiter Kolben 6 angebracht, und der Raum oberhalb dieses Kolbens im Zylinder
i steht durch Öffnungen
l' 7
mit einem Behälter 8 in Verbindung, der
mit Dampf angefüllt ist. Der Dampf muß in solcher Menge in den Raum
8 über
das Ventil c) eingeleitet werden, als Leckdampf über den Kolben 6 in den Zylinderraum
i Der Gegenkolben 6 ist beweglich angeordnet. Sein Hub kann eingestellt werden,
wie ich aus nachstehender Beschreibung ergibt.
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Bei dem Kompressionshub der Arbeitskolben 2 oder während der Einströmung
wird der bewegliche Gegenkolben 6 zurückgedrängt, so daß der in dem Behälter
8 befindliche Dampf verdichtet wird. Wenn die Kanäle 5
des Arbeitskolbens
2 die Schlitze 3 überfahren, findet die Füllung des zwischen den Kolben 2 und 6
befindlichen Raumes mit Arbeitsdampf statt. Sobald der Druck vor dein Gegenkolben
den Druck hinter dein Gegenkolben übersteigt, tritt eine Bewegung des Gegenkolbens
ein. Werden nun die Einlaßschlitze 3 bei dein Rückwärtsgang des Kolbens
2 geschlossen, dann expandiert der Dampf in dem Zylinder i, und der Gegenkolben
6, auf dessen obere Fläche nun ein größerer Druck wirkt, folgt dein Arbeitskolben
2 nach und wird schließlich in seine untere Endlage geschoben. Dieser Vorgang entspricht
der Volldruckarbeit eines normal gesteuerten Dampfzylinders. Bei Weiterbewegung
des Kolbens 2 entweicht der Dampf durch die Auslaßschlitze 4, und es wiederholt
-ich nunmehr das gleiche Spiel des Arbeitskolbens.
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Durch Einstellung des Ventils 9 an dein Behälter 8 kann man den Zeitpunkt
des Vorschubes des Gegenkolbens h verändern. Die Hubbegrenzung des Gegenkolbens
6 nach oben erfolgt bei dein dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen ölpuffer
io, dessen obcrer Anschlag i i einstellbar -ist. Auf el di-,-se Weise hat man die
Möglichkeit, die Füllun- der -Maschine zu verändern. Die E#iiistellung
des
Anschlages i i kann von Hand erfolgen, z. B. durch ein Handrad 12, und ein Schneckengetriebe
13, -welches einen Schwinghebel 14 verstellt, der an der Stange 22 des Anschlagkolbens
II des Ölpuffers Io angelenkt ist. Man kann aber auch die Welle des-Schwinghebels
I4 durch den Regler der Maschine verstellen lassen.
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In Fig. 3 ist die Stange 22 des Anschlagkolbens II als Gewindespindel
2,3 ausgebildet, die von dem Handrad 12 aus über ein Kegelradgetriebe 24 gedreht
wird.
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Bei :dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Anschlagkolben II
als Tauchkolben ausgebildet, und die Kolbenstange 22 bildet die Stange einer Exzenterscheibe
2-5, die von dem Handrad 12 über ein Schneckenradgetriebe 13 gedreht wird. Die Fig.
3 und 4 veranschaulichen also weitere Möglichkeiten zur Füllungsveränderung durch
entsprechende Einstellung des Anschlagkolbens i i.
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Bei der Füllung des Zylinders wird der Gegenkolben 6 zurückgeschoben.
bis zum Anschlag des Ölpuffers und dabei der Dampfvorrat im Behälter 8 verdichtet.
Dieser Dampf hat also auch die Aufgabe einer Feder. Man kann jedoch außerdem noch
eine zusätzliche Feder 15 verwenden, welche den Vorschub des Gegenkolbens
6 unterstützt. Diese Feder 15 ist bei dem Ausführungsbeispiel zwischen
den Kolben Io und i i des Ölpuffers eingeschaltet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Gegenkolben
6 als Differentialkolben ausgebildet. Mit dieser Anordnung ist es möglich,
den Raum hinter dem Gegenkolben unter Fortfall eines Drosselventils unmittelbar
mit dem Druckraum des Schieberkastens zu verbinden, wie sich aus Fig.2 der Zeichnung
ohne weiteres ergibt. Die beiden Einzelkolben des Differentialkolbens sind mit 16
und 17 bezeichnet. Das Verhältnis der Durchmesser dieser Kolben bzw. der wirksamen
Kolbenflächen ist derart, daß bei der Umkehr des Arbeitskolbens 2, also beim Expansionshub,
der Gegenkolben 6 durch den auf seine Kolbenfläche wirkenden Differenzdruck nach
Füllungsabschluß dem Arbeitskolben möglichst sofort nachfolgen kann. Dieser Differentialkolben
muß außerdem möglichst leicht gehalten werden, um eine gute Diagrammbildung zu erreichen.
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Die Füllungsregelung wird, wie bereits gesagt, dadurch erreicht, daß
der Anschlagkolben II des Ölpuffers entsprechend verschoben wird, «so daß der Gegenkolben
6 einen größeren oder kleineren Hub ausführen kann,- wodurch eine entsprechend größere
oder kleinere Dampfmenge in den Arbeitszylinder i eingesteuert wird. Die Einstellung
des Ölpufferanschlages von Hand ist in Fig. 1, 3 und 4 dargestellt. Bei der selbsttätigen
Verstellung durch den Maschinendrehzahlregler greift dieser an der Stange 22 des
Anschlagkolbens II entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer Hebelübertragung
an. Der bewegte Gegenkolben 6 übt einen Stoß aus, der bei der selbsttätigen Einstellung
des Kolbens durch den Regler von diesem aufgenommen werden muß. jedoch wirkt sich
dieser Stoß im Betriebe nicht wesentlich aus, da die Zeit zu kurz und die Masse
-verhältnismäßig groß ist.
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Zu dem Dampfdiagramm der Fig. 5 ist zu bemerken, daß hier wie bei
normalen Diagrammen eine Volldruckperiode in Erschein nun'- tritt, die bei der Anordnung
gemäß der Erfindung dadurch entsteht, daß der Gegenkolben dem Arbeitskolben folgt.
Die Dampfzuströmung in den Zylinder -,erfolgt in der Hauptsache im Totpunkt, wenn
die Geschwindigkeit des Arbeitskolbens fast oder gleich Null ist. Die Arbeit,
die notwendig ist, um den Gegendampf hinter dem Gegenkolben zu komprimieren oder
die Rückholfeder zu spannen, wird während der Expansion im Zylinder wieder gewonnen.
Bei der beweglichen Lagerung des Gegenkolbens 6 ist eine Überkompression
im Arbeitszylinder i ausgeschlossen. Sollte sich bei dem vorgesehenen Schlitzauslaß
eine zu hohe Kompression des Dampfes einstellen, so müßte noch ein Hilfsauslaß angeordnet
werden.
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In Fig. 5 stellt die gestrichelte Linie 18 die Expansionslinie für
den Fall dar, daß der Gegenkolben 6 fest gelagert wäre, also dem Arbeitskolben
2 beim Expansionsbub nicht nachfolgt. Die Kurve I9 gilt für den Fall eines verringerten
Druckes in dem zusätzlichen Behälter 8 und die Kurve 2o für den normalen Druck in
diesem Behälter. Die Bewegung des Gegenkolbens 6 kennzeichnet sich im Diagramm als
eine Linie gleichen Druckes oder, wie die Linie 21 andeutet, sogar als eine Linie
geringen Druckanstieges, wenn nämlich die Geschwindigkeit des Gegenkolbens 6 größer
werden sollte als die Geschwindigkeit des Arbeitskolbens 2.
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Bei den dargestellten Ausführunisbeispielen ist der Gegenkolben
6 axial zu dem Arbeitskolben:2 und in dem gleichen Arbeitszylinder i angeordnet.
Es ist aber innerhalb des Rahmens der Erfindung auch möglich, den Gegenkolben in
anderer Lage und außerhalb des Arbeitszylinders i anzuordnen, z. B. in einem besonderen
Zylinder außerhalb der Maschine. Es müßte diann der Arbeitszylinder i mit dem Zylinderraum
hinter dem Gegenkolben 6 durch eine entsprechende Leitun- verbunden werden.
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Zu der Wirkun- des Dampfraumes in dem besonderen Behälter
8 sei noch folgendes bemerkt:
Wenn lediglich der Raum hinter
dein Gegenkolben C) mit Dampf angefüllt wäre, so könnte der Fall eintreten, daß
bei dem Kompressionshub des Arbeitskolbens 2, also bei dem Rückgang des Gegenkolbens
(-), der hinter diesem Kolben befindliche Dampf o. dgl. zu plötzlich und zu stark
verdichtet wird. Man könnte diesem Übelstand begegnen. wenn man den Raum hinter
dein Gegenkolben 6 entsprechend groß gestalten würde. Damit würde aber auch
der Arbeitsdampfzylinder i entsprechend größer werden, was man, selbstverständlich
zu vermeiden sticht. Aus diesem Grunde ist es vorteilhafter, für die Aufnahme des
Dampfes, der auf der Rückseite des Gegenkolbens 2 wirkt. Lilien besonderen Behälter
8 außerhalb des Arbeitszylinders i anzuordnen. Der bei dein Zurückdrücken des Gegenkolbens
6 verdichtete Dampf in diesem zusätzlichen Raum 6 wirkt, wie bereits gesagt, als
Mittel, uni die Bewegung des Kolbens C, nachgiebig, also möglichst stoßfrei zu gestalten.
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Legt man auf einen möglichst einfachen I Aufbau der ganzen Maschine
besonderen Wert, so empfiehlt es s * ich, einfachwirkende Kolben vorzusehen
und zur Erzielung einer größeren -Maschinenleistung mehrere Zylinder mit einfachwirkenden
Kolben nebeneinander anzuordnen. Man kann den Dampf aber auch selbstverständlich
in zwei oder mehr Stufen arbeiten lassen und die Kurbeln entsprechend zueinander
versetzen. Ferner kann man auch Zylinder mit doppeltwirkenden Kolben ausführen.
In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Gegenkolben seitlich der Arbeitszylinder
anzuordnen.
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Die Fig. 6 der Zeichnung zeigt dann noch eine Anordnung, bei welcher
die Einrichtung 12 zur durch Verstellung des Anschlagkolbens II des Ölpuffers mit
der Unisteuerung vereinigt ist. Durch die Vorrichtung 12 711M Ändern der Lage des
Gegenkolbens i i wird gleichzeitig ein, Hilfsschieber -12 verstellt, welcher über
Kanäle 43 und 44 Dampf o. dgl. nach der einen oder anderen Seite eines Dampfkolbens
steuert, welcher die Nockenwelle zum Unisteuern der Maschine in der einen oder anderen
Richtung verschiebt.